In der Praxis gibt es sie alle als computergesteuerte Zerspanungsmaschinen, die das Material mit Präzisionswerkzeugen abtragen: die CNC-gesteuerte Portalfräsmaschine, das Bearbeitungszentrum und die Drehmaschine. Doch wie arbeiten diese Zerspanungsmaschinen
Von „Numerical Control“ zu „Computerized Numerical Control“
Fast alle Produkte, die es weltweit gibt, haben irgendwann einmal einen Fertigungsprozess durchlaufen. Um vom Rohteil zum fertigen, nutzbaren Produkt zu werden, wurden sie in einer Werkzeugmaschine bearbeitet. Diese hat durch Abtragen, Umformen und Zerspannen aus einem Rohteil ein (fast) fertiges Produkt kreiert. So weit ist dieser Produktionsschritt noch keine Atomwissenschaft. Neu waren hingegen die numerischen Steuerungen („NC“), die ab 1960 entwickelt wurden.
Nötig wurde die Erfindung vor allem aus historischer Sicht, denn nach dem Zweiten Weltkrieg war Aufbauarbeit gefragt – und die musste schneller erfolgen als dies manuell möglich gewesen wäre. Bereits Mitte der 70er Jahre gesellte sich das „C“ zum „NC“ und die Computerized Numerical Control war geboren. Ein CNC-Programm war fortan eine IT-Anwendung, die exakt zur CNC-Maschine passt. Gefordert waren nun die Maschinenhersteller, die das CNC-Fertigungsverfahren in die klassische Werkzeugmaschine einsetzen sollten. Dabei galt es die Mechanik und den Aufbau zu kennen, Know-how zum elektrischen Antrieb und zur Programmierung mitzubringen und etwaige Abweichungen zu berücksichtigen, die während der Fertigung das Ergebnis beeinflussen könnten.
Das CNC-Bearbeitungszentrum
Das CNC-Bearbeitungszentrum sorgt dafür, dass eine komplette Bearbeitung des Werkstücks an nur einem Ort möglich wird. Jeder Arbeitsschritt wurde programmiert und kann systemisch (und automatisiert) angestoßen und ausgeführt werden. Im Bearbeitungszentrum sind mehrere einzelne Arbeitsschritte mögliche, wie etwa das Schleifen, Messen, Bohren, Fräsen und Sägen. CNC-Bearbeitungszentren gibt es für Holz, Metall und andere Werkstoffe.
Der Vorteil des CNC-Bearbeitungszentrums ist der Faktor Zeit, denn mit diesem Maschinentyp lassen sich Serienteile sowie individuelle Einzelteile schnell produzieren. Selbst komplizierte Fertigungen können schnell und mit einem Höchstmaß an Präzision hergestellt werden. Die Rüstzeiten sind gering, da das Bearbeitungszentrum viele Vorgänge automatisiert abspielt. Die Fertigung bleibt flexibel und ist schnell.
Die Nachteile des CNC-Bearbeitungszentrums sind hingegen das finanzielle Investment, das Unternehmen tätigen müssen, um eine solche Anlage anzuschaffen und in Betrieb zu nehmen. Die Kosten liegen nicht nur bei der Anschaffung vor, sondern auch bei Wartung und Instandhaltung – beides recht komplizierte und komplexe Abläufe.
Die CNC-Portalfräsmaschine
Die CNC-Portalfräsmaschine bearbeitet Metalle, Hölzer und Kunststoffe auf 3 Achsen und kann über einen haushaltsüblichen Desktop-PC gesteuert werden. Aufgrund der handlichen Größe, den verhältnismäßig niedrigen Kosten der einfachen Bedienbarkeit ohne Programmierkenntnisse finden Portalfräsmaschinen neben dem wachsenden Einsatz in gewerblichen Betrieben und der Industrie immer mehr Anwendung im Privat- und Hobbysektor. Dieser Maschinentyp wird in seiner Anwendung zum einen durch eine sehr hohe Komplexität bei der Fertigung von 3D-Formen eingeschränkt, deren Bearbeitung eine CNC-Maschine mit mindestens 5-Achsen erfordert. Zum anderen ist dieser Maschinentyp aufgrund der Konstruktionsweise in der Bearbeitung von Stahl ab einer gewissen Stärke eingeschränkt. Für sehr hohe Bearbeitungskomplexitäten und der Zerspanung von hochfesten Stahllegierungen greifen Lohnfertigungsunternehmen auf Bearbeitungszentren zurück.
Die CNC-Drehmaschine
Die CNC-Drehmaschine führt genau das aus, was ihr die IT-Programmierung sagt. Die Steuerung (CNC-Steuerung) ist nicht nur Namensgeber, sondern verleiht ihr auch ihre Grundfunktion. Technisch betrachtet kann die CNC-Maschine ausschließlich Zahlen lesen. Aus diesen Zahlencodes leitet sie Arbeitsschritte ab, die sie nach und nach abspielt. Auch hat die CNC-Maschine eine Kontrollfunktion, denn bevor die Codes zu Aktionen werden, gleicht die Maschine ab, ob die vorgegebenen Richtwerte mit dem Ergebnis übereinstimmen. Dabei überprüft die Maschine das Werkzeug und die Lage, die Geschwindigkeit, mit der das Werkzeug bearbeitet wird sowie die Umdrehungen.
Der Grundaufbau einer CNC-Maschine ist dabei meist ähnlich. Eine Arbeitsspindel und ein Werkzeugträger ergeben bereits eine CNC-Maschine. Der Werkzeugträger ist beweglich. Neuere Erfindungen zeigen immer mehr technische Details an der CNC-Maschine. Diese Details sorgen dafür, dass noch speziellere Werkstücke gefertigt werden können.
Die High-Z-Portalfräse gehört zur neueren Generation der CNC-Maschinen. Die punktet vor allem mit einer höheren Fahrgeschwindigkeit, einer besseren Genauigkeit und ist dabei recht flexibel, was das Resultat angeht. Sowohl die Einzelfertigung in höchster Präzision als auch die Serienfertigung sind für die High-Z-Portalfräse kein Kunststück. Neu ist hingegen die Stabilität und Steifigkeit, die die Fräse an den Tag legt. Dafür sorgen die Rohrstreben und das Aluminiumprofil.
Grundsätzlich wird das CNC-Fräsen als ein besonders hoch präzisiertes Verfahren beschrieben. Die Steuerung übernimmt hier ein Mikrocomputer, der im Steuerteil der Werkzeugmaschine sitzt. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass sowohl die Fertigung von Einzelstücken als auch von Serienproduktionen möglich ist. Vor allem die Automobilbranche, aber auch die Luftfahrtindustrie hat sich das CNC-Fräsen als Zerspannungsverfahren aus eben diesen Gründen auserwählt.
Der Unterschied zum CNC-Drehen ist in der Bewegung zu verorten: Beim CNC-Fräsen bewegt sich das Werkzeug. Beim CNC-Drehen bewegt sich das Werkstück. Das Programm, das die Maschine steuert, basiert auch in diesem Fall auf der Geometrie des Werkstücks, das bearbeitet werden soll. Die Flexibilität in der Prozesskette mach das CNC-Fräsen zum beliebten Vorgang in der Industrie. Die CNC-Fräse kommt vor allem auch dann zum Einsatz, wenn reguläre Fräsverfahren an der Komplexität scheitern würden. Ein aufwendiges Umspannen ist nicht nötig, dennoch können unzählig viele Werkzeuge in nur einem Prozess zur Anwendung kommen.
